ความสว่างของ LED เปลี่ยนไปตามแรงดันไฟฟ้าหรือไม่?

เมื่อฉันยังเด็กและเรียนรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมสำหรับการทำความเข้าใจแรงดันไฟฟ้า / กระแสไฟฟ้า / ความต้านทานเป็นหลอดไฟแบบหลอดไส้ (ในกรณีของฉันมันเป็นหลอดไฟ 3V ขนาดเล็ก) เมื่อคุณเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นสองเท่าด้วยการใส่แบตเตอรี่สองก้อนในซีรีส์มันจะเพิ่มความสว่างได้ 4 เท่า แต่ให้ความร้อนเพิ่มขึ้นและมีแนวโน้มที่จะไหม้ได้ง่ายขึ้น เมื่อคุณใส่หลอดไฟสองหลอดในซีรีส์พวกเขาส่องแสง 1/4 สว่าง เมื่อคุณวางแบตเตอรี่แบบขนานมันจะเรืองแสงตามปกติ แต่ทำให้แบตเตอรี่หมดเร็วเป็นสองเท่า เป็นต้น

วันนี้และอายุอย่างไรก็ตามหลอดไส้กำลังจะออกไปและไฟ LED จะเปลี่ยนพวกเขาด้วยเหตุผลที่ดี (เช่นไม่เผาไหม้ทุกสองสามเดือนหรือดังนั้น) แต่ LEDs ต่างกันและทำตามกฎต่าง ๆ ซึ่งฉันไม่เข้าใจตัวเองดี

ฉันสงสัยว่า - ไฟ LED สามารถใช้งานในลักษณะเดียวกันได้หรือไม่? ฉันรู้ว่าสำหรับ LED ที่จะใช้งานได้ในลักษณะที่คล้ายกับหลอดไฟแบบคลาสสิกคุณต้องใส่มันในซีรีย์ที่มีตัวต้านทาน ฉันคิดว่าคุณสามารถซื้อ LEDs พร้อมตัวต้านทานในตัว แต่พวกเขาจะทำงานในแบบเดียวกันหรือไม่ การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในความสว่าง?

ไฟ LED เป็นสัตว์ที่แตกต่างกันมากเมื่อเทียบกับหลอดไส้ ไฟ LED อยู่ในชั้นเรียนของอุปกรณ์ที่เรียกว่าอุปกรณ์ที่ไม่ใช่เชิงเส้น สิ่งเหล่านี้ไม่เป็นไปตามกฎของโอห์มในแง่คลาสสิค (อย่างไรก็ตามกฎของโอห์มยังคงใช้ร่วมกับพวกเขา)

LED คือรูปแบบของไดโอด (ชัด) มีแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าซึ่งเป็นแรงดันที่ไดโอดเริ่มทำงาน ขณะที่การเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าเพื่อไม่วิธีการที่ดีปฏิบัติไดโอด แต่ไม่ว่าในที่ไม่ใช่เชิงเส้นแฟชั่น

ด้วย LED มันคือปริมาณของกระแสที่ไหลผ่านซึ่งเป็นตัวกำหนดความสว่างของมัน การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มกระแสใช่ แต่ภูมิภาคที่เกิดขึ้นโดยไม่มีกระแสมากเกินไปจะมีขนาดเล็กมาก ในเส้นโค้งสีแดงด้านบนอาจเป็นประมาณเล็กน้อยที่ประมาณ 1.5V และเมื่อถึง 2V กระแสก็จะหลุดออกจากหลอดและ LED ก็จะไหม้

การใส่หลอด LED เป็นชุดจะรวมแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าดังนั้นคุณต้องจัดให้มีแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นสำหรับการนำเริ่มต้น

ดังนั้นเราจึงควบคุมกระแสแทนแรงดันและใช้แรงดันไปข้างหน้าเป็นค่าคงที่ โดยการรวมตัวต้านทานในวงจรเพื่อเติมเต็มช่องว่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าและแรงดันไปข้างหน้าการ จำกัด กระแสในกระบวนการหรือโดยการใช้กระแสไฟฟ้าคงที่เราสามารถกำหนดกระแสที่เราต้องการไหลผ่าน LED และ ดังนั้นตั้งค่าความสว่าง โดยการเพิ่มกระแส แต่ไม่เพิ่มแรงดันไฟฟ้า (หรือเพียงเล็กน้อยและโดยบังเอิญ) เราเพิ่มความสว่าง

สูตรการคำนวณความต้านทานที่จะใช้สำหรับกระแสเฉพาะคือ:

โดยที่เป็นแรงดันไฟฟ้าคือแรงดันไฟฟ้า LED ไปข้างหน้าและคือกระแสไฟ LED ไปข้างหน้าที่ต้องการV F ฉัน$V_S$$V_F$$I_F$

ไม่ LED ด้วยตัวเอง (ไม่มีตัวต้านทานหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ) ทำงานค่อนข้างแตกต่างจากหลอดไฟ

ดูที่แผ่นข้อมูลของ LED แบบสุ่มนี้

เลื่อนลงไปที่หน้าด้วยกราฟจำนวนมาก กราฟที่สามแสดงความเข้มสัมพัทธ์ (แสง) กับกระแสผ่าน LED:

(ที่มา: แผ่นข้อมูล 334-15 / T1C1-4WYA)

คุณจะสังเกตเห็นว่าเส้นโค้งนี้ค่อนข้างเป็นเส้นตรงซึ่งหมายความว่ากระแสสองเท่าจะให้แสงมากถึงสองเท่า

เราได้เรียนรู้อะไร: ความสว่างของ LED ค่อนข้างเป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลผ่าน

แต่ปัจจุบันคุณได้แรงดันไฟฟ้าเท่าไร?

ดูกราฟ 2:

(ที่มา: แผ่นข้อมูล 334-15 / T1C1-4WYA)

ไปข้างหน้ากระแสกับแรงดันไปข้างหน้าสังเกตว่ากระแสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 3 โวลท์ เพียง 0.5 V ให้ 4 x กระแสมากขึ้น! เส้นโค้งนี้ยังเปลี่ยนแปลงระหว่าง LED และอุณหภูมิสูงเกินไป

นั่นคือเหตุผลที่ดีกว่าที่จะป้อน LED ด้วยกระแสไฟฟ้าแทนที่จะเป็นแรงดันไฟฟ้า หากคุณป้อน LED ด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสจะไม่สามารถคาดเดาได้มากดังนั้นจึงไม่มีความสว่าง นอกจากนี้พลังงานที่ป้อนเข้ากับ LED จะแตกต่างกันไปตามกระแสไฟฟ้าคือแรงดันไฟฟ้า x

มันจะดีกว่าที่จะรักษา LED ที่กระแสคงที่ดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นต้องมีตัวต้านทานแบบอนุกรมเหล่านี้จะ จำกัด กระแสไฟฟ้าไว้ที่ค่าที่ต้องการ ไม่ใกล้เคียง แต่เพียงพอสำหรับวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่

เมื่อใช้ตัวต้านทานแบบอนุกรม LED (+ ตัวต้านทาน) จะทำงานเหมือนหลอดไฟในแง่ที่ว่าความสว่างเปลี่ยนไปเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่คุณใช้มากขึ้น

หลอดไฟ LED และหลอดไส้มีคุณสมบัติตรงข้ามเกือบทั้งหมด

• ไฟ LED ลดลงใน R พร้อมแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น

• ความต้านทานของ BULB เพิ่มขึ้น 10 เท่าเมื่อเปิดเครื่อง นี่เป็นเพราะ PTC (+) แทนความร้อนขนาดใหญ่ของไส้หลอดทังสเตน ในขณะเดียวกันไฟ LED เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามกับค่า NTC (-) แบบเส้นตรงขนาดเล็ก

  • ไฟ LED ไม่สามารถจัดการกับแรงดันไฟฟ้าติดลบ ทั้งหมดได้รับการจัดอันดับ @ -5V สัมบูรณ์สูงสุด
  • หลอดไฟสามารถไปได้ทั้งสองทาง AC-DC

• ไฟ LED ใช้อัลตร้าโซนิก Au wirebond "ไมครอน" เพราะการบัดกรีจะฆ่ามัน

• BULBs ... ทำงานที่ 2500'C

  • ไฟ LED ต้องการการป้องกัน ESD
  • หลอดไฟดูดซับ ESD ได้โดยไม่มีปัญหาใด ๆ

• ไฟ LED มีทุกสีของรุ้งและไกลออกไป

• หลอดไฟจะเหมือนกันทั้งหมดในเฉดสีขาว

  • ไฟ LED สามารถตรวจจับแสงที่มีกระแสเอาต์พุตขนาดเล็กเช่นโฟโตไดโอด
  • หลอดไฟไม่สามารถตรวจจับแสงได้

• ไฟ LED เป็นด้านเดียวถึงแม้จะมีพื้นผิวโปร่งใส

• BULB เป็นทิศทางรอบทิศทาง

ดังนั้นเมื่อคุณรวมทั้งหมดคุณต้องเข้าใจความแตกต่างเพื่อให้ทำงานในสภาพแวดล้อมพลังงานเดียวกัน หรือใช้วิธีการแก้ปัญหาเชิงวิศวกรรมเพื่อให้ง่ายต่อการใช้งาน

หากคุณซื้อ LEDs พร้อมตัวต้านทานในตัวพวกเขาจะทำงานได้ (เกือบ) อย่างนั้น

เอาต์พุตแสงของ LED เกือบเป็นสัดส่วนกับกระแสในช่วงกว้าง

$(Vb >> Vf)$

$V_b$

$V_f$

$R_i$

$I=(V_b-V_f)/R_i$$I=(V_b/R_i)$

$I=(V_b-2*V_f)/(2*R_i)$

$I=(V_b/(2*R_i))$

ดังนั้นเมื่อติดตั้ง LED 2 ดวงพร้อมตัวต้านทานแบบอนุกรมในตัวกระแสจะลดลงครึ่งหนึ่งของกระแสเริ่มต้น

ความสว่างของ LED ขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่านเป็นหลัก

หลอดไส้ธรรมดาเป็นตัวต้านทานที่มีประสิทธิภาพมันเป็นไปตามกฎของโอห์ม V = I * R ถ้าคุณเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นสองเท่ากระแสจะเพิ่มเป็นสองเท่าและกำลังที่ใช้จะเพิ่มขึ้นเป็น 4 เท่า (ไม่จริงเลยมีอุณหภูมิบางส่วน ผลกระทบที่เกี่ยวข้อง แต่ใกล้พอสำหรับตอนนี้)

ในทางกลับกัน LED เป็นไดโอดเหมือนไดโอดส่วนใหญ่จะมีแรงดันไบแอสไปข้างหน้าค่อนข้างคงที่ ต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเหนือกระแสไฟฟ้าแรงดันนั้นไม่ จำกัด แต่แรงดันจะลดลงตามแรงดันไบอัส (นี่คือการทำให้เข้าใจง่ายมาก แต่ดีพอสำหรับการคำนวณคร่าวๆ)

แรงดันไฟฟ้านี้จะขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ดังนั้นจะขึ้นอยู่กับสี โดยทั่วไป ~ 1.8-2V สำหรับสีแดง, สีเหลืองหรือสีเขียว, ~ 3V สำหรับสีน้ำเงิน, สีขาวหรือ "สีเขียวจริง" แรงดันไฟฟ้าตกนี้จะเพิ่มขึ้นตามกระแส แต่เพียง 0.1-0.2V โดยปกติคุณสามารถเพิกเฉยต่อผลกระทบนี้ได้

ตามที่คุณระบุไว้ในคำถาม LED ของคุณโดยทั่วไปแล้วจะเชื่อมต่อกับตัวต้านทานแบบอนุกรมเพื่อ จำกัด กระแส ทำไม?

คิดว่า LED เป็นแรงดันคงที่คงที่มันจะใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ไม่ว่าในปัจจุบัน ดังนั้นหากคุณเชื่อมต่อ LED 2V โดยตรงไปยังแหล่งกำเนิด 3V จะมีเหลือ 1V ที่จะถูกดรอปในส่วนที่เหลือของวงจร ส่วนที่เหลือของวงจรในกรณีนี้คือความต้านทานภายในของแหล่งจ่ายไฟและสายไฟ โดยทั่วไปแล้วความต้านทานเหล่านี้ค่อนข้างต่ำ (โดยปกติคุณจะเพิกเฉย) และกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่จะไหล

สมมติว่าความต้านทานอยู่ในขอบเขต 0.1 omhs สิ่งนี้จะให้กระแส I = V / R = (3-2) / 0.1 = 10 แอมป์

กำลังงานที่กระจายใน LED จะเป็น P = I * V = 10 * 2 = 20 วัตต์

สิ่งนี้จะทำให้ LED ร้อนอย่างรวดเร็วจนถึงจุดที่มันถูกทำลาย โลกแห่งความจริงมีความซับซ้อนน้อยกว่าเนื่องจาก LED ไม่ใช่ความต้านทานแรงดันไฟฟ้าคงที่ที่สมบูรณ์แบบเป็นศูนย์ แต่สันนิษฐานว่าผลลัพธ์ที่ได้นั้นเหมือนกัน

หากเราเพิ่มตัวต้านทานแบบอนุกรมที่ 100 โอห์มนอกจากความต้านทานภายในแล้วกระแสจะลดลงเหลือ 10mA และ LED จะเรืองแสงได้ดี

การเปลี่ยนค่าตัวต้านทานจะเปลี่ยนความสว่างไฟ LED ขนาดเล็กส่วนใหญ่ถูก จำกัด ไว้ที่ประมาณ 20mA สูงสุดและไม่สามารถมองเห็นได้ต่ำกว่า 1mA โดยทั่วไปการไปมากกว่า 10mA นั้นแทบจะไม่สังเกตเห็นได้ชัด (ซึ่งเป็นเพราะวิธีการทำงานของดวงตามากกว่าวิธีการทำงานของไฟ LED) นอกจากนี้คุณยังสามารถเปลี่ยนความสว่างได้โดยการเปิดและปิดอย่างรวดเร็วนี่เป็นวิธีที่ง่ายกว่าสำหรับระบบดิจิตอลที่จะทำและโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับความสว่างที่รับรู้ ในขณะที่มีตัวต้านทานคงที่เพียงตัวเดียวในฮาร์ดแวร์ หากคุณวางแผนที่จะใช้ตัวต้านทานผันแปรเพื่อตั้งค่าความสว่างดังนั้นจึงควรรวมค่าคงที่เล็ก ๆ ด้วยเพื่อให้ตัวต้านทานผันแปรที่ 0 มีกระแสไฟฟ้า จำกัด ที่ 20mA

แล้วถ้าเราเพิ่มไฟ LED สองดวงในซีรีย์ล่ะ?

ไฟ LED แต่ละอันต้องใช้ 2V เพื่อเปิด ไฟ LED สองดวงหมายถึง 4V ด้วยแหล่งจ่ายไฟ 3V เราไม่มีแรงดันไฟฟ้าเพียงพอที่จะส่งต่อไบอัสไดโอดดังนั้นพวกมันจึงจะป้องกันการไหลของกระแส ไฟ LED จะดับ หากคุณเพิ่มแรงดันและตั้งค่าตัวต้านทาน จำกัด ปัจจุบันอย่างถูกต้องทั้งคู่จะเปิด เนื่องจากความสว่างขึ้นอยู่กับกระแสผ่าน LED และทั้งคู่จะมีกระแสเท่ากันพวกเขาจะเป็นความสว่างเดียวกัน (สำหรับ LED ประเภทเดียวกัน)

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราเพิ่ม LED สองดวงในแบบขนาน

หากเราเพิ่มสองตัวขนานในแต่ละตัวด้วยตัวต้านทานของตัวเองพวกมันจะแยกวงจรได้อย่างมีประสิทธิภาพ สมมติว่าแหล่งจ่ายไฟมีความเพียงพอต่อการใช้งานของแต่ละคน

หากพวกเขาแบ่งปันตัวต้านทานแล้วสิ่งต่าง ๆ น่าสนใจมากขึ้น ในทางทฤษฎีสิ่งนี้จะทำงานได้ดีคุณจะต้องลดค่าตัวต้านทานลงครึ่งหนึ่งเพื่อให้กระแสต่อ LED เหมือนกัน แต่นอกเหนือจากที่คุณคาดหวังให้ทำงานได้ น่าเสียดายที่ไม่มีไฟ LED สองดวงเหมือนกันพวกเขาทั้งหมดจะมีแรงดันไบอัสแตกต่างกันเล็กน้อยซึ่งหมายความว่ากระแสจะไหลผ่านมากกว่าหนึ่ง (ซึ่งจะเป็นกระแสทั้งหมดผ่านหนึ่งหากไม่เพิ่มแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยเช่นปัจจุบัน เพิ่มขึ้นตามปกติที่เราเพิกเฉย)

ซึ่งหมายความว่า LED สองดวงพร้อมกันกับตัวต้านทานเดียวจะแทบไม่มีความสว่างเท่าเดิม

โดยทั่วไปสิ่งใดก็ตามที่จำเป็นต้องขับเคลื่อนกลุ่มไฟ LED (เช่นแบ็คไลท์) จะใช้โซ่อนุกรมยาวของไฟ LED และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าให้สูงที่สุดเท่าที่จำเป็น (ภายในเหตุผล) เพื่อให้พวกเขามีความสว่างเท่ากันทั้งหมด

ในขณะที่ไฟ LED ไม่เหมือนหลอดไส้คำตอบก็ยังคงใช่

ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวในการคำนวณกฎของโอห์มคือการลบแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า LED จากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย

ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของ LED กับกระแสไปข้างหน้านั้นไม่มีนัยสำคัญ

ฉันวัดแรงดันของสตริงของ LED สีแดง 16 ดวงที่ 200, 350 และ 500mA แรงดันไฟฟ้าคือ 30.07, 31.20, 31.43 1.02% เปลี่ยนจาก 200 เป็น 500mA